קו מתקדם בעקבות הרובוט: 22 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

זהו קו מתקדם בעקבות רובוט המבוסס על חיישן קו Teensy 3.6 וחיישן QTRX שבניתי ועבדתי עליו די הרבה זמן. ישנם כמה שיפורים משמעותיים בעיצוב וביצועים מהקו הקודם שלי בעקבות הרובוט. המהירות והתגובה של הרובוט השתפרו. המבנה הכולל הוא קומפקטי וקל משקל. הרכיבים מסודרים קרוב לציר הגלגל על מנת למזער את המומנטום הזוויתי. מנועי הילוכים מיקרו מתכת בעלי הספק גבוה מספקים את המומנט המתאים וגלגלי הסיליקון של רכזת האלומיניום מציעים מתיחה נחוצה במהירויות גבוהות. מקדדי מגן וגלגל מאפשרים לרובוט לקבוע את מיקומו ואת כיוונו. כאשר Teensyview מותקן על הלוח, ניתן לדמיין את כל המידע הרלוונטי ולעדכן פרמטרים חשובים של התוכנית באמצעות לחצנים.

כדי להתחיל לבנות רובוט זה, תזדקק לאספקה הבאה (והרבה זמן וסבלנות לרשותך).

אספקה

מכשירי חשמל

• מועצת הפיתוח של Teensy 3.6
• מגן תומך עם חיישני תנועה
• Sparkfun TeensyView
• מערך חיישן השתקפות של Pololu QTRX-MD-16A
• PCB אב טיפוס דו צדדי בגודל 15x20 ס"מ
• ווסת מתח Pololu Step-Up/Step-Down S9V11F3S5
• ווסת מתח מתכוונן של Pololu 4-5-20V U3V70A
• מנוע מיקרו הילוך MP12 6V 1580 סל"ד עם מקודד (x2)
• מנשא נהגים כפול DRV8833 (x2)
• סוללת 3.7V, 750mAh Li-Po
• מתג הדלק / כבה
• קבלים אלקטרוליטיים 470uF
• קבל אלקטרוליטי 1000uF (x2)
• קבלים קרמיים 0.1uF (x5)
• לחצנים (x3)
• 10 מ"מ LED ירוק (x2)

חוּמרָה

• גלגל סיליקון אטום 37x34 מ"מ (x2)
• גלגלת כדור Pololu עם כדור מתכת 3/8 אינץ '
• N20 מנוע הר (x2)
• בורג ואומים

כבלים ומחברים

• חוטים גמישים 24AWG
• פריצת FFC ל- DIP 24 פינים וכבל FFC (סוג A, אורך 150 מ"מ)
• כותרת סיכה נקבה עגולה
• כותרת סיכה נקבה עגולה מסוף ארוך
• כותרת נקבה בעלת שורת זווית ישרה
• כותרת גברית בעלת זווית ישרה בעלת זווית ישרה
• כותרת סיכה גברית
• כותרת סיכת מחט גברית

כלים

• מולטימטר
• מלחם
• חוט הלחמה
• חשפן חוטים
• קאטר

שלב 1: סקירת מערכות

בדומה לתכנון הקודם שלי של רובוט מאזן את עצמו, רובוט זה הוא מכלול של לוחות פריצה המותקנים על לוח פרפונים המשרת גם את מטרת המבנה.

המערכות העיקריות של הרובוט מפורטות להלן.

מיקרו-בקר: לוח פיתוח של Teensy 3.6 הכולל מעבד ARM Cortex-M4 בנפח 32 סיביות של 180MHz.

חיישן קו: מערך חיישן קו הפלט האנלוגי QTRX-MD-16A של פולו 16 ערוצים במערך בצפיפות בינונית (8 מ מ חיישן).

הנעה: 6V, 1580 סל ד, מנועי הילוכים מיקרו מתכת בעלי הספק גבוה עם מקודד גלגלים מגנטי וגלגלי סיליקון המותקנים על רכזות אלומיניום.

קילומטראז ': זוגות מקודדי גלגלים מגנטיים לאומדן הקואורדינטות והמרחק הנמשך.

חיישן כיוון: מגן תומך עם חיישני תנועה לאומדן מיקום וכיוון הרובוט.

ספק כוח: סוללת ליפו 3.7V, 750mAh כמקור כוח. הרגולטור מעלה/יורד 3.3V מפעיל מיקרו-בקר, חיישנים והתקן תצוגה. וסת ההגבהה המתכוונן מפעיל את שני המנועים.

ממשק משתמש: Teensyview להצגת מידע. פריצת כפתור עם שלוש כפתורים לקבלת קבצי משתמש. שני מספרים של נוריות ירוקות בקוטר 10 מ מ לחיווי מצב בזמן הריצה.

שלב 2: נתחיל באב טיפוס

אנו ניישם את המעגל הנ ל על לוח הלוח. עלינו קודם כל להשאיר את לוחות הפריצה שלנו מוכנים על ידי הלחמת כותרות עליהם. הסרטון יספק מושג לגבי אילו כותרות יש להלחים על אילו לוחות פריצה.

לאחר הלחמת כותרות על לוחות פריצה, ערמו את פריצת Teensyview ואת פריצת הכפתורים על גבי Teensy.

שלב 3: אב טיפוס - Perfboard

קבל את לוח האב -טיפוס בצד כפול בגודל 15x20 ס מ וסמן את הגבול עם סמן קבוע כפי שמוצג בתמונה. מקדחים חורים בגודל M2 להתקנת מערך החיישנים, גלגל הגלגלים ומנועי הילוכים מיקרו מתכת במקומות המסומנים בעיגול לבן. מאוחר יותר נחתוך את לוח הלוח לאורך הגבול לאחר הלחמה ובדיקת כל הרכיבים.

נתחיל את טיפוס האב טיפוס שלנו על ידי הלחמת סיכות הכותרות והשקעים על לוח הלוח. לוחות הפריצה יוכנסו מאוחר יותר לכותרות אלה. שימו לב היטב למיקום הכותרות על לוח הלוח. אנו נחבר את כל החוטים בהתבסס על פריסת כותרות זו.

שלב 4: אב טיפוס - מגן תומך

תחילה נלחם את החיבורים למגן האביזר. מכיוון שאנו משתמשים רק בחיישני התנועה של מגן האביזר, עלינו לחבר רק סיכות SCL, SDA ו- IRQ מלבד סיכות 3V וקרקע של מגן תומך.

לאחר השלמת החיבור, הכנס את Teensy ו- prop מגן וכיול את חיישני התנועה על ידי ביצוע השלבים המוזכרים כאן.

שלב 5: אב טיפוס - כוח ואדמה

הלחם את כל חיבורי החשמל והקרקע המתייחסים לתמונה. הכנס את כל לוחות הפריצה למקומם והבטח המשכיות באמצעות מולטימטר. ודא את רמות המתח השונות שעל הסיפון.

• מתח יציאת Li-po (בדרך כלל בין 3V ל -4.2V)
• מתח יציאה של הרגולטור למעלה/למטה (3.3V)
• מתח יציאה של הרגולטור המתכוונן (מוגדר ל- 6V)

שלב 6: אב טיפוס - מוביל נהג מוטורי

לוח נושאות הנהג הכפול DRV8833 יכול לספק זרם שיא של 1.2A רציף ו -2A לכל ערוץ. נחבר את שני הערוצים במקביל להנעת מנוע אחד. הלחם את החיבורים על ידי ביצוע השלבים שלהלן.

• מקבילים את שתי הכניסות ושתי היציאות של מנשא הנהג המנוע כפי שמוצג בתמונה.
• חבר את חוטי בקרת הכניסה לנהג המנוע.
• חבר קבל אלקטרוליטי 1000uF וקבל קרמיקה 0.1uF על פני מסופי Vin ו- Gnd של שני לוחות המוביל.
• חבר קבל קרמיקה 0.1uF על פני מסופי הפלט של מנוע ההתקן.

שלב 7: אב טיפוס - כותרת מערך חיישן קו

ל- Teensy 3.6 יש שני ADCs - ADC0 ו- ADC1 שמכופלים ל -25 סיכות נגישות. אנו יכולים לגשת לכל שני סיכות משני ה- ADC בו זמנית. נחבר שמונה חיישני קו כל אחד ל- ADC0 ו- ADC1. חיישני המספר הזוגי יחוברו ל- ADC1 וחיישני המספר הזוגי ל- ADC0. הלחם את החיבורים על ידי ביצוע השלבים שלהלן. מאוחר יותר נחבר את חיישן הקו באמצעות מתאם וכבל FFC ל- DIP.

• חבר את כל סיכות החיישנים השוות (16, 14, 12, 10, 8, 6, 4, 2) כפי שמוצג בתמונה. נתב את החוט לחיבור סיכת חיישן 12 דרך הצד ההפוך של לוח הלוח.
• חבר את סיכת הבקרה של הפולט (EVEN) לסיכה 30 של Teensy.
• חבר את כל סיכות החיישן המוזרות (15, 13, 11, 9, 7, 5, 3, 1) כפי שמוצג בתמונה.
• חבר קבל אלקטרוליטי 470uF על פני Vcc ו- Gnd.

אם אתה מתבונן מקרוב בסיכות חיישן הקו ובסיכות הכותרת המתאימות שלהן על הלוח, תבחין כי השורה העליונה של חיישן הקו ממפה את השורה התחתונה של הכותרת בלוח ולהיפך. הסיבה לכך היא שכאשר אנו מחברים את חיישן הקו ללוח ה perfboard באמצעות כותרות זוויות ישרות בשורות, השורות יתיישרו כראוי. לקח לי די הרבה זמן להבין את זה ולתקן את הקצאות הסיכות בתוכנית.

שלב 8: אבות טיפוס - מנוע מיקרו גיר וקידוד

• תקן את מנוע הילוך המתכת המיקרו עם מקודד באמצעות תושבות מנוע N20.
• חבר את חוטי המנוע והמקודד כפי שמוצג בתמונה.
• מקודד שמאלי - סיכות נוער 4 & 0
• מקודד ימני - סיכות נעורים 9 ו -27

שלב 9: אב טיפוס - נוריות LED

שני הלדים מציינים אם הרובוט זיהה סיבוב או לא. השתמשתי בנגד מסדרת 470 אוהם לחיבור הנוריות ל- Teensy.

• אנודת LED שמאלית לפין Teensy 6
• אנודת LED ימנית לפין Teensy 8

שלב 10: אב טיפוס - פריצות

כעת, לאחר שהשלמנו את כל ההלחמה שלנו על הלוח, אנו יכולים לחתוך בזהירות לאורך הגבול המסומן על לוח הלוח ולהסיר את פיסות הלוח הנוספות. כמו כן, חבר את שני הגלגלים ואת גלגל הגלגלים.

הכנס את כל לוחות הפריצה לשקעים המתאימים להם. להכנסת פריצת ה- FFC-DIP ולתיקון חיישן הקו QTRX-MD-16A, עיין בסרטון.

שלב 11: סקירה כללית של ספריות תוכנה

נתכנת את ה- Teensy ב- Arduino IDE. נזדקק לכמה ספריות לפני שנתחיל. הספריות שבהן נשתמש הן:

• קוֹדַאִי
• Teensyview
• EEPROM
• ADC
• NXPMotionSense

וחלק שנכתבו במיוחד עבור הרובוט הזה,

• לחץ על הכפתור
• LineSensor
• תפריט Teensyview
• מנועים

הספריות הספציפיות לרובוט זה נידונות בפירוט וזמינות להורדה בשלבים הבאים.

שלב 12: הספריות מוסברות - PushButton

ספרייה זו מיועדת לממשק בין לוח הפריצה ללחצן הלחיצה עם ה- Teensy. הפונקציות בשימוש הן

PushButton (int leftButtonPin, int centreButtonPin, int rightButtonPin);

קריאה לבנאי זה על ידי יצירת אובייקט מגדירה את סיכות הכפתור למצב INPUT_PULLUP.

int8_t waitForButtonPress (void);

פונקציה זו ממתינה עד לחיצה על לחצן ושחרורו ומחזירה את קוד המפתח.

int8_t getSingleButtonPress (void);

פונקציה זו בודקת אם לוחצים על לחצן ומשחררים אותו. אם כן, מחזיר את קוד המפתח אחרת מחזיר אפס.

שלב 13: הספריות מוסברות - חיישן קו

LineSensor היא הספרייה לממשק מערך חיישן הקווים עם Teensy. להלן הפונקציות בהן נעשה שימוש.

LineSensor (void);

קריאה לבנאי זה על ידי יצירת אובייקט מאתחלת את ADC0 ו- ADC1, קוראת ערכי סף, מינימום ומקסימום מ- EEPROM ומגדירה את סיכות החיישנים למצב קלט וסיכת בקרת פולט למצב פלט.

כיול חלל (uint8_t calibrationMode);

פונקציה זו מכיילת את חיישני הקו. מצב הכיול יכול להיות MIN_MAX או MEDIAN_FILTER. פונקציה זו מוסברת בפירוט בשלב מאוחר יותר.

void getSensorsAnalog (uint16_t *sensorValue, מצב uint8_t);

קורא מערך חיישנים בכל אחד משלושת המצבים שהועברו כארגומנט. המצב הוא מצב הפולטים והוא יכול להיות מופעל, כבוי או מתג. מצב TOGGLE מפצה את קריאות החיישן של החזרה בשל אור הסביבה. החיישנים המחוברים ל- ADC0 ו- ADC1 נקראים באופן סינכרוני.

int getLinePosition (uint16_t *sensorValue);

מחשבת את המיקום של מערך החיישנים על הקו בשיטת הממוצע המשוקלל.

uint16_t getSensorsBinary (uint16_t *sensorValue);

מחזירה ייצוג של 16 סיביות של מצב החיישנים. אחד בינארי מציין כי החיישן נמצא מעבר לקו ואפס בינארי מציין כי החיישן נמצא מחוץ לקו.

uint8_t countBinary (uint16_t binaryValue);

העברת הייצוג של 16 סיביות של ערכי החיישנים לפונקציה זו מחזירה את מספר החיישנים הנמצאים מעבר לקו.

void getSensorsNormalized (uint16_t *sensorValue, מצב uint8_t);

קורא את ערכי החיישנים ומגביל כל ערך חיישן לערכי המינימום והמקסימום המקבילים שלו. ערכי החיישן ממופים לאחר מכן מהטווח המקסימלי עד הטווח המקסימלי שלהם לטווח 0 עד 1000.

שלב 14: הספריות מוסברות - תפריט Teensyview

TeensyviewMenu היא הספרייה שבה ניתן לגשת לפונקציות של תפריט התצוגה. להלן הפונקציות בהן נעשה שימוש.

TeensyViewMenu (חלל);

קריאה לבנאי זה יוצרת אובייקט מסוג LineSensor, PushButton ו- TeensyView.

מבוא חלל (חלל);

זה לניווט בתפריט.

בדיקת חלל (חלל);

זה נקרא פנימית בתפריט כאשר ערכי חיישן הקווים יוצגו ב- Teensyview לצורך בדיקה.

שלב 15: הספריות מוסברות - מנועים

מוטורס היא הספרייה המשמשת להנעת שני המנועים. להלן הפונקציות בהן נעשה שימוש.

מנועים (ריק);

קריאה לבנאי זה על ידי יצירת אובייקט מגדירה את בקרת כיוון המנוע וסיכות הבקרה PWM למצב פלט.

void setSpeed (int leftMotorSpeed, int rightMotorSpeed);

קריאה לפונקציה זו מניעה את שני המנועים במהירויות שעברו כטענות. ערך המהירות יכול לנוע בין -255 ל -255 עם סימן שלילי המציין כי כיוון הסיבוב הפוך.

שלב 16: בדיקה - אודומטרי מקודד

נבדוק את מקודדי הגלגלים המגנטיים ונציג את המיקום והמרחק שמכסה הרובוט.

העלה את DualEncoderTeensyview.ino. התוכנית מציגה את קרציות המקודד ב- Teensyview. המקודד מסמן תוספת אם תזיז את הרובוט קדימה ויורד אם תזיז אותו לאחור.

כעת העלה את EncoderOdometry.ino. תוכנית זו מציגה את מיקומו של הרובוט במונחים של קואורדינטות x-y, מציגה את המרחק הכולל המכוסה בסנטימטר ואת הזווית המופנית במעלות.

הפניתי את יישום חישוב המתים על ידי Odometry על רובוט עם כונן דיפרנציאלי של סרוו/R על ידי החברה הרובוטית של סיאטל לצורך קביעת המיקום מקרציות מקודדים.

שלב 17: בדיקה - חיישני תנועה של Shield Shield

וודא שכיילת את חיישני התנועה על ידי ביצוע השלבים המוזכרים כאן.

כעת העלה את PropShieldTeensyView.ino. אתה אמור להיות מסוגל לראות את ערכי מד התאוצה, הג'ירו והמגנומטר של כל שלושת הצירים ב- Teensyview.

שלב 18: סקירת התוכנית

התוכנית לחסיד השורות המתקדמים כתובה ב- Arduino IDE. התוכנית פועלת ברצף הבא המוסבר להלן.

• ערכים המאוחסנים ב- EEPROM נקראים והתפריט מוצג.
• בלחיצה על LAUNCH, התוכנית נכנסת ללולאה.
• ערכי חיישן קו מנורמל נקראים.
• ערך בינארי של מיקום הקו מתקבל באמצעות ערכי חיישן מנורמלים.
• ספירת מספר החיישנים הנמצאים מעבר לקו מחושבת מהערך הבינארי של מיקום הקו.
• קרציות המקודד מתעדכנות והמרחק הכולל מכוסה, קואורדינטות xy וזווית מתעדכנות.
• לערכים שונים של ספירה בינארית הנעים בין 0 ל -16, מערך הוראות מבוצע. אם הספירה הבינארית נמצאת בטווח 1 עד 5 ואם החיישנים הנמצאים מעבר לקו צמודים זה לזה, נקרא שגרת PID. הסיבוב מתבצע בשילובים אחרים של ערך בינארי וספירה בינארית.
• בשגרת PID (שהיא למעשה שגרת PD) המנועים מונעים במהירויות המחושבות על סמך טעות, שינוי בטעות, ערכי Kp ו- Kd.

התוכנית כרגע אינה מודדת ערכי כיוון ממגן תומך. זו עבודה שנמצאת בעיצומה ומתעדכנת.

העלה TestRun20.ino. נראה כיצד לנווט בתפריט, להתאים את ההגדרות וכיצד לכייל את חיישני הקווים בשלבים הבאים שלאחר מכן נבדוק את הרובוט שלנו.

שלב 19: ניווט בתפריט והגדרות

התפריט כולל את ההגדרות הבאות שניתן לנווט באמצעות לחצני השמאל והימין ולבחור באמצעות הלחצן המרכזי. ההגדרות ותפקודיהם מתוארים להלן.

1. CALIBRATE: לכיול חיישני קו.
2. TEST: להצגת ערכי חיישן קו.
3. השקה: כדי להתחיל את הקו הבא.
4. MAX SPEED: כדי להגדיר את הגבול העליון של מהירות הרובוט.
5. מהירות סיבוב: כדי להגדיר את הגבול העליון של מהירות הרובוט כאשר הוא מבצע סיבוב כלומר כאשר שני הגלגלים מסתובבים במהירות שווה לכיוונים מנוגדים.
6. KP: קבוע יחסי.
7. KD: קבוע נגזר.
8. RUN MODE: לבחירה בין שני מצבי הפעלה - NORMAL ו- ACCL. במצב NORMAL, הרובוט פועל במהירויות מוגדרות מראש המתאימות לערכי מיקום הקו. במצב ACCL, מהירות MAX של הרובוט מוחלפת ב- ACCL SPEED בשלבים מוגדרים מראש של המסלול. ניתן לנצל זאת כדי להאיץ את הרובוט בקטעים ישרים של המסלול. ההגדרות הבאות נגישות רק אם מצב ההפעלה מוגדר כ- ACCL.
9. LAP DISTANCE: לקביעת האורך הכולל של מסלול המרוצים.
10. ACCL SPEED: כדי להגדיר את מהירות ההאצה של הרובוט. מהירות זו מחליפה את MAX SPEED בשלבים שונים של המסלול כהגדרתו להלן.
11. לא. של שלבים: לקביעת מספר השלבים בהם משתמשים ב- ACCL SPEED.
12. שלב 1: כדי לקבוע את מרחק ההתחלה והסיום של השלב בו MAX SPEED מוחלף ב- ACCL SPEED. לכל שלב ניתן להגדיר את מרחק ההתחלה והסיום בנפרד.

שלב 20: כיול חיישן קו

כיול חיישן קו הוא התהליך שבו נקבע ערך הסף של כל אחד מ -16 החיישנים. ערך סף זה משמש להחלטה אם חיישן מסוים חורג מהקו או לא. כדי לקבוע את ערכי הסף של 16 חיישנים, אנו משתמשים באחת משתי השיטות.

פילטר מדיאני: בשיטה זו, חיישני הקו ממוקמים מעל המשטח הלבן ומספר הגדרות מראש של קריאות חיישן נלקחות לכל 16 החיישנים. הערכים החציוניים של כל 16 החיישנים נקבעים. אותו תהליך חוזר על עצמו לאחר הנחת חיישני הקו על פני המשטח השחור. ערך הסף הוא ממוצע הערכים החציוניים של משטחים שחורים ולבנים.

MIN MAX: בשיטה זו, ערכי החיישנים נקראים שוב ושוב עד שהמשתמש יבקש להפסיק. הערכים המקסימליים והמינימליים בהם נתקל כל חיישן נשמרים. ערך הסף הוא הממוצע של ערכי המינימום והמקסימום.

ערכי הסף המתקבלים כך ממופים לטווח 0 עד 1000.

כיול חיישני הקו בשיטת MIN MAX מוצג בסרטון. לאחר כיול חיישני הקו, ניתן לדמיין את הנתונים כפי שמוצג בתמונה. המידע הבא מוצג.

• ייצוג בינארי של 16 סיביות של מיקום קו עם 1 בינארי המציין שחיישן הקו המתאים נמצא מעל הקו ו- 0 בינארי המציין שחיישן הקו נמצא מחוץ לקו.
• ספירה של המספר הכולל של חיישנים הנמצאים מעבר לקו.
• ערכי מינימום, מקסימום וחיישן (גולמיים ומנורמלים) מתוך 16 החיישנים, חיישן אחד בכל פעם.
• מיקום הקו בטווח -7500 עד +7500.

הערכים המינימליים והמקסימליים של חיישן הקווים מאוחסנים ב- EEPROM.

שלב 21: הפעלת מבחן

הסרטון הוא של ריצת מבחן שבה הרובוט מתוכנת לעצור לאחר שהוא מסיים הקפה אחת.

שלב 22: מחשבות ושיפורים אחרונים

החומרה שחוברה לבניית רובוט זה אינה מנוצלת במלואה על ידי התוכנית המפעילה אותו. ניתן היה לבצע הרבה שיפורים בחלק התוכנית. חיישני התנועה של מגן תומך אינם משמשים כיום לקביעת המיקום והכיוון. ניתן לשלב את נתוני המרחק מהמקודדים עם נתוני הכיוון של מגן תומך כדי לקבוע במדויק את המיקום והכותרת של הרובוט. לאחר מכן ניתן להשתמש בנתונים אלה כדי לתכנת את הרובוט ללמוד את המסלול במספר הקפות. אני ממליץ לך להתנסות בחלק זה ולשתף את התוצאות שלך.

בהצלחה.

פרס שני בתחרות הרובוטים